謝云鵬, 張 帆, 李孟秋
(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)
液力耦合器為代表的大功率高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備連接部件被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)。液力耦合器是聯(lián)結(jié)在電機(jī)和工作機(jī)之間的一種柔性傳動(dòng)元件,是交流恒速電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)大力推廣應(yīng)用的調(diào)速手段之一,是提高電機(jī)啟動(dòng)性能、改善傳動(dòng)品質(zhì)、減少電能損耗、調(diào)節(jié)工藝運(yùn)行狀態(tài)的有效方法[1]?,F(xiàn)在的制造業(yè)大多數(shù)是由現(xiàn)代信息和傳統(tǒng)制造技術(shù)結(jié)合發(fā)展,并逐漸向更高程度的集成、信息化發(fā)展。而信息化發(fā)展所需的各種物理量的檢測(cè)和傳輸技術(shù)則是信息化發(fā)展的基礎(chǔ),更是利用數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程服務(wù)與優(yōu)化的前提。對(duì)狀態(tài)參數(shù)形成一體的自主感知,同時(shí)可以做出相應(yīng)調(diào)整的智能制造系統(tǒng),使測(cè)試技術(shù)由傳統(tǒng)的非現(xiàn)場(chǎng)、事后測(cè)試轉(zhuǎn)換成裝備制造環(huán)節(jié)和裝備使用環(huán)節(jié)測(cè)試,實(shí)現(xiàn)物理量的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)[2]。電機(jī)傳動(dòng)部件的安全高效運(yùn)行是大功率高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備正常運(yùn)行的基本保障,任何異常都可能會(huì)直接影響到整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)大部分生產(chǎn)單位對(duì)這些傳動(dòng)部件的維護(hù)工作基本都是采取傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式。狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷可以在生產(chǎn)過(guò)程中保證設(shè)備安全運(yùn)行,避免關(guān)鍵設(shè)備的停機(jī)而產(chǎn)生不必要的損失[3]。而對(duì)于液壓型傳動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的關(guān)鍵參數(shù)——油溫、油壓的準(zhǔn)確測(cè)量更是困難。文獻(xiàn)[4]中給出刮板輸送機(jī)中的液力耦合器機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)控方案,該方案使用PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)液力耦合器的溫度、壓力與轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。其使用分立探測(cè)器進(jìn)行監(jiān)控,現(xiàn)場(chǎng)PLC搜集數(shù)據(jù)后發(fā)送至后臺(tái)。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6] 中液力耦合器狀的溫度和壓強(qiáng)參數(shù)是通過(guò)測(cè)量冷油器進(jìn)出口溫度和液油順序閥得到的。
針對(duì)工程需求和設(shè)計(jì)難點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于無(wú)線通信的液力耦合器監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并設(shè)計(jì)了基于易熔塞改造的液力耦合器內(nèi)置式傳感器。該傳感器可直接測(cè)量腔體內(nèi)部的溫度和壓強(qiáng)參數(shù),保證了其檢測(cè)的有效性和及時(shí)性。傳感器裝置安裝在直徑8 mm易熔螺塞中,采集耦合器狀態(tài)數(shù)據(jù)并通過(guò)433 MHz的射頻通信技術(shù)發(fā)送至由STM32為核心的現(xiàn)場(chǎng)接收裝置。現(xiàn)場(chǎng)接收裝置與中控端組成由Lora通信技術(shù)構(gòu)建的局域網(wǎng)?,F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用分布式布置,各自采集數(shù)據(jù)后由中控室進(jìn)行集中分時(shí)輪詢監(jiān)控,可同時(shí)監(jiān)測(cè)幾十臺(tái)耦合器設(shè)備,使在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)部分更加有效和便捷,優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使機(jī)組管理更方便快捷[7]。中控終端獲取到耦合器狀態(tài)數(shù)據(jù)后傳送給中控進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警并將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器處,廠家也可通過(guò)便攜式設(shè)備實(shí)時(shí)觀測(cè),極大地簡(jiǎn)化了人員巡檢工作量。
基于無(wú)線射頻通信的液力耦合器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置和數(shù)據(jù)接收終端3個(gè)部分,如圖1所示。傳感器裝置以英飛凌的SP370為核心,主要負(fù)責(zé)完成油壓、溫度、電池電量和設(shè)備加速度的采集,并通過(guò)外接的射頻電路板實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)責(zé)接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù),單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)LCD進(jìn)行顯示并使用Lora通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)局域組網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至接收終端。數(shù)據(jù)接收終端負(fù)責(zé)接收來(lái)自一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)據(jù),接收終端與液晶顯示器通過(guò)RS232通信電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、命令處理和報(bào)警功能。
圖1 液力耦合器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖
傳感器的工作環(huán)境一般存在電磁、機(jī)械干擾強(qiáng)等因素,檢測(cè)對(duì)象參數(shù)變化大,且易受到濕度、溫度、粉塵等外界因素影響。要求現(xiàn)場(chǎng)器件具有靈敏度高、抗干擾強(qiáng)、參數(shù)檢測(cè)動(dòng)態(tài)性良好,且具有可長(zhǎng)期持續(xù)性工作的特點(diǎn)[8]。為達(dá)到以上設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了新型傳感器設(shè)備,其固定在液力耦合器的易熔螺塞內(nèi)部,并且在盡可能不改變耦合器外觀、不破壞力學(xué)平衡的前提下,可以比較準(zhǔn)確地獲取到耦合器內(nèi)部溫度和壓強(qiáng)參數(shù)。傳感器實(shí)物圖和剖面圖如圖2所示。
圖2 傳感器實(shí)物圖和剖面圖
傳感器模塊主控芯片選用了適應(yīng)能力強(qiáng)、測(cè)量靈敏度高、體積小、功能強(qiáng)的英飛凌SP370芯片。利用該芯片集成的溫度、壓強(qiáng)、電量、加速度采集和射頻發(fā)射功能模塊進(jìn)行傳感器裝置功能設(shè)計(jì)。由于SP370芯片具有較高的功能集成度,內(nèi)核是8051微處理器,所以安裝檢測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)時(shí)只需外加晶振電路、供電電路和射頻天線即可[9],如圖3所示。液力耦合器中的易熔塞在液力耦合器中屬于溫度型安全泄放裝置,當(dāng)耦合器內(nèi)部意外受熱,溫度升高至110 ℃時(shí),易熔塞中的合金即被熔化,耦合器內(nèi)氣體從安裝有易熔塞的孔中排出[10-11]。
根據(jù)液力耦合器和易熔塞的工作特點(diǎn),傳感器設(shè)計(jì)時(shí)需考慮傳感器裝置可靠性、耐熱、無(wú)線射頻傳輸和耦合器的力學(xué)平衡這幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。
圖3 傳感器硬件電路
本設(shè)計(jì)方案中傳感器電子元件和連接部件使用耐高溫材質(zhì)。裝置采用CR2032HR鋰電池供電,其耐溫可達(dá)125 ℃,置于螺塞尾部,隨著耦合器旋轉(zhuǎn)散發(fā)熱量,避免電池因溫度過(guò)高發(fā)生快速掉電或損壞的現(xiàn)象。由于傳感器是放置在直徑8 mm易熔螺塞中,內(nèi)部可使用空間狹小,將芯片電路板、射頻電路板、電池和天線板分開(kāi)設(shè)計(jì),各部件單獨(dú)完成后再組裝入螺塞內(nèi)部后使用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行密封??紤]到金屬屏蔽效應(yīng),將天線板置于最外側(cè)有利于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。
實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)方案使傳感器的極限工作溫度提高到135 ℃,保證了裝置在液力耦合器最高易熔塞熔化溫度120 ℃前可正常工作。傳感器電路元件總質(zhì)量為10.5 g,填充結(jié)構(gòu)膠固化封裝后,傳感器整體質(zhì)量與易熔塞原本質(zhì)量最大誤差為5 g,小于廠家要求最大質(zhì)量偏差±25 g,滿足液力耦合器動(dòng)平衡要求。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器由射頻接收電路、單片機(jī)電路和Lora通信模塊組成,如圖1所示。其中,TDA5235射頻接收電路是整個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器關(guān)鍵部分,硬件電路如圖4所示。主控芯片選擇STM32F103C8T6,射頻接收芯片選擇英飛凌TDA5235,具有靈敏度高、功耗低、滿足多頻段工作模式、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于調(diào)試、接收靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低[12]的優(yōu)點(diǎn)。板載Lora模塊與單片機(jī)串口(USART1)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器與接收終端配合使用可在廠區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)組網(wǎng)。
圖4 TDA5235硬件電路
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器和傳感器一般安裝在工作電機(jī)附近,工作環(huán)境復(fù)雜,電磁干擾較強(qiáng)?,F(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試結(jié)果表明,為實(shí)現(xiàn)比較可靠的無(wú)線通信,保證傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器之間的傳輸效果,安裝時(shí)傳感器裝置與轉(zhuǎn)發(fā)裝置的天線距離宜控制在5 m以內(nèi)。
數(shù)據(jù)接收終端由單片機(jī)電路、Lora通信模塊和中控顯示屏幕組成,如圖1所示。接收終端接收來(lái)自一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸?shù)鸟詈掀鬟\(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。Lora通信模塊采用SX1278射頻芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),發(fā)射頻率為433 MHz,最大發(fā)射功率1 W,具有高穩(wěn)定性、高抗干擾性的特點(diǎn)?,F(xiàn)場(chǎng)基本上無(wú)須施工,也無(wú)須大規(guī)模布線,安裝、組網(wǎng)十分方便。
為保證廠區(qū)內(nèi)組網(wǎng)通信狀態(tài)穩(wěn)定可靠,現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試結(jié)果表明,使用Lora通信模塊在空曠無(wú)遮擋條件下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信極限距離可達(dá)8 km,在廠區(qū)內(nèi)多建筑情況下可以在3 km范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠通信,基本可以滿足實(shí)際使用需求。
傳感器檢測(cè)程序在SP370芯片運(yùn)行,軟件流程如圖5所示。通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的SP370提供的庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)發(fā)送和定時(shí)休眠功能。
圖5 傳感器檢測(cè)流程
程序初始化主要是對(duì)時(shí)鐘配置、射頻發(fā)射、串口參數(shù)配置。數(shù)據(jù)采樣功能是通過(guò)SP370內(nèi)部集成的功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的,包括溫度、壓強(qiáng)、加速度和電池電量采樣。實(shí)地測(cè)試時(shí)由于傳感器溫度遲滯較大,不能較好地反映耦合器溫度可能會(huì)快速變化的情況,在程序中對(duì)溫度采取補(bǔ)償措施。程序?qū)崿F(xiàn)方法為:利用比例微分算法(PD)的超前控制效果對(duì)遲滯的溫度參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),使其溫度產(chǎn)生快速變化、快速跟隨的效果,待溫度穩(wěn)定后逐漸降到比例環(huán)節(jié)以此達(dá)到控制效果。傳感器休眠模式(Powerdown)是通過(guò)啟動(dòng)間隔計(jì)時(shí)器預(yù)計(jì)數(shù)器(ITPL和ITPH)和對(duì)LC分頻后獲得持續(xù)時(shí)長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的,具體計(jì)算方法為:休眠時(shí)間=(間隔計(jì)時(shí)器預(yù)計(jì)數(shù)器)/LC振蕩器頻率/分頻系數(shù)。正常檢測(cè)工作時(shí),傳感器每休眠2 s發(fā)送1次數(shù)據(jù),傳感器在休眠期間功耗最低。另外,設(shè)計(jì)了低功耗模式,即若設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不工作,SP370加速度檢測(cè)的寄存器值低于30且持續(xù)5 min時(shí),則進(jìn)入低功耗模式,在此模式下傳感器每1 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)。其目的是使傳感器在保持監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)的同時(shí)將功耗降低,延長(zhǎng)使用時(shí)間。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器軟件設(shè)計(jì)主要包括了射頻接收、LCD顯示、按鍵對(duì)碼、Lora組網(wǎng)通信,軟件流程如圖6所示。
圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器流程
芯片TDA5235使用英飛凌官方軟件進(jìn)行芯片參數(shù)和工作模式的配置,最后將得到配置文件程序置于單片機(jī)主程序中調(diào)用即可。TDA5235接收到來(lái)自檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)包后,對(duì)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRC檢驗(yàn),在剔除錯(cuò)包誤包后,將校驗(yàn)過(guò)后的數(shù)據(jù)包存入FIFO并開(kāi)啟中斷,并采用四線制SPI通信等待單片機(jī)接收數(shù)據(jù)[13]。使用SP370的ID進(jìn)行按鍵對(duì)碼,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行一對(duì)一數(shù)據(jù)傳輸,避免附近數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器接收到其他傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生串?dāng)_,從而造成中控室誤判。通信軟件部分功能主要是接收來(lái)自終端的輪詢信號(hào),判斷后將耦合器狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。
數(shù)據(jù)接收終端主要承擔(dān)數(shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)發(fā),以及與中控液晶進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)上傳云端服務(wù)器等功能。軟件流程如圖7所示。液晶顯示器通過(guò)RS232通信接收來(lái)自接收終端的各個(gè)液力耦合器溫度、壓強(qiáng)、電量、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,如圖8所示。控制指令的作用是通過(guò)液晶改變下發(fā)命令的指定位控制接收終端的繼電器動(dòng)作產(chǎn)生聲光報(bào)警。修改通信地址指令,通過(guò)終端下發(fā)指令給指定的轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行輪詢通信地址修改,以達(dá)到便捷組網(wǎng)、自由組網(wǎng)的目的。
圖7 接收終端流程
圖8 液晶顯示界面
溫度是監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的一個(gè)最重要也是最基本的參數(shù),需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量[3]。為了較準(zhǔn)確地測(cè)量溫度,模擬液力耦合器內(nèi)部情況,選用循環(huán)加熱絕緣油溫箱實(shí)現(xiàn)溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。溫度計(jì)采用的是工業(yè)鉑熱電阻感溫元件,精度保證在±0.1 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)中,最大的溫度測(cè)量誤差為1.04 ℃,因此該傳感器裝置溫度標(biāo)定誤差為±1.14 ℃。溫度標(biāo)定測(cè)試結(jié)果良好,測(cè)量誤差小。
表1 溫度標(biāo)定實(shí)測(cè)結(jié)果 單位:℃
主從動(dòng)電機(jī)差速過(guò)大或負(fù)載過(guò)大造成從動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致耦合器溫度急劇升高[14]。重載連續(xù)起動(dòng)也會(huì)造成耦合器溫度累積上升[10]。為了應(yīng)對(duì)急劇升溫現(xiàn)象,保障設(shè)備安全運(yùn)行,進(jìn)行了溫度跟隨測(cè)試,結(jié)果如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)環(huán)境溫度開(kāi)始變化后可以在12 s內(nèi)達(dá)到標(biāo)定溫度的95%,16 s即可達(dá)到廠家要求的±4 ℃范圍。傳感器對(duì)溫度變化靈敏度高,溫升曲線無(wú)異常,基本可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。
圖9 溫度跟隨曲線
英飛凌SP370芯片的壓強(qiáng)傳感器的性能有一定的優(yōu)勢(shì),其傳感組件是一個(gè)3層堆疊模塊(玻璃-硅-玻璃),采樣得到的絕對(duì)壓力參考值是由頂層玻璃里的真空腔得出的[15-16]。壓強(qiáng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是通過(guò)全自動(dòng)壓力校準(zhǔn)儀實(shí)現(xiàn)的,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。為保證測(cè)試準(zhǔn)確性,進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)中執(zhí)行正行程和反行程兩次實(shí)驗(yàn),標(biāo)定壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中最大測(cè)量誤差為0.003 MPa。壓強(qiáng)標(biāo)定測(cè)試結(jié)果良好,測(cè)量誤差小。
傳感器裝置采用鋰離子紐扣電池供電,型號(hào)為CR2032HR,容量為210 mAh。設(shè)備要求連續(xù)工作時(shí)間不少于每天8 h。傳感器采樣工作電流2 mA,采樣時(shí)間15 ms,發(fā)射數(shù)據(jù)期間電流5 mA,發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間10 ms,裝置休眠電流0.5 μA,休眠模式為2 s發(fā)送1次數(shù)據(jù),低功耗模式為每1 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)。
表2 壓強(qiáng)實(shí)測(cè)結(jié)果 單位:MPa
對(duì)傳感器工作1天(24 h)的功耗估算如下。
8 h連續(xù)工作期間功耗:
P1=T(連續(xù)工作總周期數(shù))×P(單次消耗能量)
(1)
16 h低功耗工作期間功耗:
P2=T(低功耗工作總周期數(shù))×P(單次消耗能量)
(2)
則估算一枚電池至少可支持傳感器使用時(shí)長(zhǎng):
由于實(shí)測(cè)傳感器電池可持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)較為耗時(shí),因此本次測(cè)試中將多個(gè)傳感器供電端并聯(lián),測(cè)試電池同時(shí)為30個(gè)傳感器持續(xù)供電時(shí)長(zhǎng)。測(cè)試結(jié)果如表3所示。經(jīng)換算可知,單個(gè)紐扣電池可連續(xù)為傳感器供電時(shí)長(zhǎng)均在1.6年以上,與預(yù)估使用時(shí)長(zhǎng)相近。
表3 時(shí)長(zhǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果
以液力耦合器為代表的傳統(tǒng)傳動(dòng)部件應(yīng)用廣泛,但是對(duì)這類關(guān)鍵部件的監(jiān)控手段還很原始。使用筆者設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可直接對(duì)液力耦合器內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,且可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)預(yù)警進(jìn)行故障處理,使液力耦合器從定時(shí)定期的檢修維護(hù)向可預(yù)見(jiàn)性維護(hù)發(fā)展,極大地延長(zhǎng)了電機(jī)組工作周期。以英飛凌的SP370為核心的傳感器方案在不破壞液力耦合器力學(xué)結(jié)構(gòu)前提下做到體積小、功耗低、精準(zhǔn)度高、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)??梢灶A(yù)見(jiàn)可內(nèi)置的液力耦合器狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置和基于無(wú)線組網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將逐漸成為行業(yè)趨勢(shì)。且該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為后期設(shè)備數(shù)據(jù)入網(wǎng)監(jiān)控奠定了軟硬件基礎(chǔ),也為液力耦合器機(jī)組故障診斷技術(shù)提供了數(shù)據(jù)依據(jù),為系統(tǒng)向可視化、智能化的監(jiān)測(cè)及控制方向發(fā)展提供了充足的條件。